[論文レビュー] A Spring-Mass-Damper-Based Platooning Logic for Automated Vehicles

Ardeshir Mirbakhsh, Joyoung Lee+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2022

Traffic control and management被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、自動運転車両のプラトー二ングに、ばね-質量-ダンパー（SMD）に基づく制御論理を提案する。機械的原理を用いて車両間の相対的運動をモデル化し、間隔と速度を制御する。商業用交通シミュレータで評価した結果、全自動運転車両（AV）市場浸透率100％の条件下で高速道路の通過能力が最大63％向上し、主要レーンでは走行時間が20％、合流レーンでは4％短縮された。また、急ブレーキ時においても安全性を確保した。

ABSTRACT

This paper applies a classical physics-based model to control platooning AVs in a commercial traffic simulation software. In Spring-Mass-Damper model, each vehicle is assumed as a mass coupled with its preceding vehicle with a spring and a damper: the spring constant and damper coefficient control spacing and speed adoption between vehicles. Limitations on platooning-oriented communication range and number of vehicles in each platoon are applied to the model to reflect real-world circumstances and avoid overlengthened platoons. The SMD model control both intra-platoon and inter-platoon interactions. Initial evaluation of the model reveals that the SMD model does not cause a negative spacing error between AVs in a harsh deceleration scenario, guaranteeing safety. Besides that, the SMD model produces a smaller positive average spacing error than VISSIM built-in platooning module, which prevents maximum throughput drop. The simulation result for a regular highway section reveals that the proposed platooning algorithm increases the maximum throughput by 10%, 29%, and 63% under 10%, 50%, and full market penetration rate of AVs with 0.5 sec response time. A merging section with different volume combinations on the main section and merging section and different market penetration rates of AVs is also modeled to test inter-platoon spacing policy effectiveness in accommodating merging vehicles. Travel time reductions of 20% and 4% are gained under low MPR of AVs on the mainlane and merging lane accordingly. Meanwhile, a more noticeable travel time reduction is observed in both mainline and merging lanes and under all volume combinations in higher AVs' MPR.

研究の動機と目的

• 実世界の制約下でも安全性と効率性を確保できる、物理学にインspiredされた制御論理を用いた自動運転車両のプラトー二ングを構築すること。
• 従来のプラトー二ングモジュールに見られる欠点、例えば負の間隔誤差や急ブレーキ時の通過能力の低下を是正すること。
• SMDに基づく論理が、通常の高速道路区間および複雑な合流状況において、さまざまなAV市場浸透率の下で効果を発揮するかを評価すること。
• プラトー間隔ポリシーを最適化し、合流車両に対応しながら交通の流れを向上させ、安全性や通過能力を損なわないようにすること。

提案手法

• 各自動運転車両を、前車両とばね（間隔制御用）およびダンパー（速度同期用）で接続された質量としてモデル化する。
• ばね定数と減衰係数を用いて、車両間の距離と速度の適応を制御し、機械的系のダイナミクスを模倣する。
• 通信範囲とプラトー長の現実的制約を組み込み、過剰に長いプラトーを回避し、現実世界の制限を反映する。
• SMD論理を商業的交通シミュレーション環境（VISSIM）に実装し、プラトー内およびプラトー間の相互作用を評価する。
• 同じ条件下で比較評価が可能なよう、SMDモデルをVISSIMの組み込みプラトー二ングモジュールと統合する。
• 交通量とAV市場浸透率（10％、50％、100％）を変化させた、通常の高速道路区間および合流ゾーンの両方をシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 急ブレーキ時において、ばね-質量-ダンパー（SMD）モデルは負の間隔誤差を防止し、プラトーの安全性を確保できるか？
• RQ2 SMDに基づくプラトー二ング論理は、VISSIMの組み込みプラトー二ングモジュールと比較して、平均間隔誤差と通過能力の点でどのように異なるか？
• RQ3 SMDモデルは、さまざまなAV市場浸透率と反応時間の下で、高速道路の通過能力をどの程度向上させるか？
• RQ4 さまざまな交通状況とAV採用率の下で、SMDベースのプラトー間隔ポリシーは合流地点での走行時間をどの程度短縮できるか？
• RQ5 SMDモデルは、現実的な通信制約およびプラトー長制約の下でも、性能と安全性を維持できるか？

主な発見

• SMDモデルは、急ブレーキ時においても負の間隔誤差を防止し、極端なブレーキ条件下でもプラトーの安全性を確保した。
• SMDモデルは、VISSIMの組み込みプラトー二ングモジュールよりも小さい正の平均間隔誤差を生じさせ、通過能力の低下リスクを低減した。
• 通常の高速道路区間において、SMDモデルは、AV市場浸透率が10％、50％、100％の各条件下で、0.5秒の反応時間のもとで、最大通過能力をそれぞれ10％、29％、63％向上させた。
• 合流状況では、低AV市場浸透率下で、SMDモデルにより主要レーンでは走行時間が20％、合流レーンでは4％短縮された。
• より高いAV市場浸透率では、主要レーンおよび合流レーンの両方で、あらゆる交通量の組み合わせにおいて、顕著な走行時間短縮が観察された。
• SMDベースのプラトー間隔ポリシーは、合流車両を効果的に受け入れられ、安全性や安定性を損なわず、交通効率を向上させた。